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引言

使用固體吸附劑進(jìn)行氣體捕集、分離和儲(chǔ)存有可能緩解能源效率、氣候變化和可持續(xù)性方面的挑戰(zhàn)。特別是，二氧化碳等溫室氣體的積累已成為全球性的問題，該研究目的是實(shí)現(xiàn)碳中和的碳達(dá)峰戰(zhàn)略目標(biāo)要求。

表征這些應(yīng)用中前沿的材料通常具有挑戰(zhàn)性，因?yàn)榇蠖鄶?shù)實(shí)驗(yàn)研究僅僅依賴于純平衡等溫線，而不是實(shí)際的工藝組成和條件。例如，分別在燃燒后和直接空氣捕集條件下發(fā)現(xiàn)的實(shí)際煙道氣或環(huán)境空氣混合物含有大量的H₂O和其他化合物，如SO₂和NO_X，它們與CO₂競爭吸附劑活性位點(diǎn)。此外，研究這些材料的再生、再利用和可循環(huán)性是至關(guān)重要的，同時(shí)還要研究捕集過程的詳細(xì)動(dòng)力學(xué)。

有許多不同的吸附測試儀器，例如，重量法和體積法，環(huán)境流速和真空法，靜態(tài)真空和動(dòng)態(tài)真空方法。本綜述講述了多功能多孔材料如活性炭、沸石、二氧化硅吸附劑和金屬有機(jī)框架(MOFs)及其功能化或改性類似物的相關(guān)表征方法。

測試方法

a)   靜態(tài)和動(dòng)態(tài)方法

靜態(tài)方法

傳統(tǒng)的吸附測量是在靜態(tài)或平衡模式下進(jìn)行的。在這個(gè)過程中，氣體被加到含有吸附劑的樣品倉中。然后將倉室密封，使壓力平衡。該方法最適合于快速動(dòng)力學(xué)吸附(例如，N₂而不是H₂O)。靜態(tài)測量的主要限制是測量誤差隨每次劑量的增加而增加。此外，在實(shí)驗(yàn)期間，除吸附外，系統(tǒng)壓力還會(huì)因各種原因發(fā)生變化，更常見的原因是真空泄漏或溫度變化。這可能導(dǎo)致測量誤差，特別是在低分壓情況下。

動(dòng)態(tài)方法

在動(dòng)態(tài)方法中，連續(xù)的氣體或蒸氣流過樣品。該方法控制了上游的進(jìn)入速率和下游的退出速率，有效地控制了腔室中吸附質(zhì)的總壓/濃度和流量。與靜態(tài)方法相比，動(dòng)態(tài)方法提供了一些好處，例如更好地防止泄漏效應(yīng)，增加吸附劑上定向流動(dòng)的吸附動(dòng)力學(xué)。動(dòng)態(tài)方法的原理如圖1所示。

圖1 動(dòng)態(tài)真空方法的原理

b)   重量法和穿透法

重量法

在重量法中，由吸附引起的重量變化是用高靈敏度的微天平直接測量的。凈力可以直接或通過浮力修正等同于吸附量。重量測量是測量各種條件下氣體和蒸汽吸附量的一些高精確度的方法。重量法的一個(gè)眾所周知的好處是，它們通常需要少量的樣品:只需1毫克就可以獲得可靠的單組分測量結(jié)果。重量測量系統(tǒng)的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是它們可以在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)模式下使用。SMS公司 DVS Vacuum吸附儀是一種對稱平衡重量系統(tǒng)，它為研究亞大氣壓下的吸附過程提供了前所未有的靈活性，可滿足同時(shí)使用兩個(gè)樣品。

穿透法

在穿透曲線分析(BTA)方法中，已知的氣體混合物通過固定床或材料，并在吸附劑填充柱的末端監(jiān)測其濃度。所得穿透曲線的形狀提供了平衡、床層傳質(zhì)和動(dòng)力學(xué)信息。它是為數(shù)不多的可用于確定真正多組分吸附數(shù)據(jù)的方法之一:例如，混合物中兩種或兩種以上組分的單獨(dú)吸收量。BTA  Frontier系統(tǒng)是英國SMS旗艦BTA分析儀，由三個(gè)主要部分組成:產(chǎn)生系統(tǒng)、固定床和檢測系統(tǒng)。在產(chǎn)生系統(tǒng)部分，以恒定的流量產(chǎn)生所需的氣體混合物:CO₂, H₂O和/或揮發(fā)性有機(jī)化合物(VOCs)在載氣(例如N₂)中是可行的。然后氣體混合物進(jìn)入吸附劑填充柱，預(yù)先在原位活化。每一種氣體的濃度分布在色譜柱出口處由一套獨(dú)立的檢測器監(jiān)測。

單組分吸附等溫線

純組分等溫線是表征多孔材料的第一步，評估所研究的組分的吸附作為壓力的函數(shù)。這一步表明與其他基準(zhǔn)材料相比，該材料是否有潛力在目標(biāo)應(yīng)用中具有競爭力。關(guān)鍵性能指標(biāo)，如從等溫線確定吸附量，吸附焓和動(dòng)力學(xué)。

舉例如下：

a)     MOFs樣品的CO₂吸附

b)     沸石的SO₂吸附

       雙組分吸附

a)     靜態(tài)模式CO₂/H₂O雙組份

b)     動(dòng)態(tài)模式CO₂/H₂O雙組份

實(shí)際工藝條件

a)     DVS應(yīng)用于實(shí)際工藝條件

b)     BTA應(yīng)用于實(shí)際工藝條件

結(jié)論

氣體捕集、分離和封存對能源和環(huán)境具有重要意義，也是工業(yè)和學(xué)術(shù)界研究的關(guān)鍵驅(qū)動(dòng)因素。重要的是要了解廣泛的吸附特性技術(shù)，并應(yīng)用與材料和應(yīng)用相關(guān)的技術(shù)。英國SMS提供了多型號的儀器，可以在各種模式下工作，如動(dòng)態(tài)，靜態(tài)，大氣流動(dòng)和負(fù)壓。這些不同的操作模式中的每一種都可以通過設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)以模擬各種系統(tǒng)時(shí)提供獨(dú)特的優(yōu)勢。作為吸附科學(xué)領(lǐng)域的全球領(lǐng)導(dǎo)者，我們的專業(yè)知識和技術(shù)可以為氣體捕集應(yīng)用中材料篩選的每一步提供解決方案。